Beschreibung
Sensoranordnung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Detektion der Betauung an Oberflächen mit in einer Widerstandsschicht ausgebildeten Interdigital- elektroden, die auf einem Trägermaterial ausgebildet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer mit einem Trägermaterial versehenen Sensoranordnung.
Stand der Technik
Sensoranordnungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt und dem Fachmann geläufig.
In der EP 1 021 704 B1 ist eine Sensoranordnung offenbart, bei der auf einer Trägerschicht eine Metallschicht angebracht ist. Die Metallschicht liegt wiederum in Gestalt von Interdigitalelektroden vor, die einen Kondensator bilden, wobei in den Kondensator ein temperaturabhängiger Widerstand integriert ist, der gleichzeitig als Temperatursensor und als Heizelement verwendet wird. Zudem ist auf der Metallschicht eine Passivierungs- schicht angebracht. Die Passivierungsschicht besteht aus zwei Schichten, nämlich aus einer unteren hydrophoben Schicht und einer darüber angeordneten hydrophilen Schicht. Die hydrophile Schicht ist wiederum mit Kondensationskeimen versehen. Dadurch wird bei der Abkühlung der
Sensoranordnung bereits bei einigen Kelvin vor dem Erreichen des Taupunktes ein detektierbarer Wasserfilm gebildet, der ein auswertbares Signal erzeugt. Die obere und untere Schicht sind dabei unmittelbar auf dem durch die Interdigitalelektroden ausgebildeten Kondensator aufgebracht. Bei den Schutzschichten kann es sich um Polymerschichten handeln.
Eine weitere Sensoranordnung der eingangs genannten Art offenbart die DE 37 20 189 C1. Aus der DE 37 20 189 C1 geht ein Taupunktsensor für ein Taupunkt-Messgerät zur Messung des Wasserdampf-Taupunktes in Gasen mit einer dem zu messenden Gas ausgesetzten Sensorfläche hervor, auf der bei Abkühlung auf die Taupunkt-Temperatur Wasserdampf kondensiert, und mit zwei an der Sensorfläche angebrachten Interdigitalelektroden mit in gleichmäßigem Abstand parallel zueinander angeordneten Elektrodenabschnitten, die mit einer feuchtigkeitsunempfindlichen Isolierschicht abgedeckt sind, wobei das Erreichen der Taupunkttemperatur durch Messung der Impedanz oder Kapazität zwischen den beiden Interdigitalelektroden festgestellt wird. Die Interdigitalelektroden sind dabei mit der feuchtigkeitsunempfindlichen Isolierschicht überzogen, die alle freien Flächen der Zähne der Interdigitalelektroden vollständig bedeckt. Die Isolierschicht besteht aus einem chemisch stabilen elektrisch isolierenden völlig feuchtigkeitsunempfindlichen Material. Hierfür kann auch ein geeignetes Metalloxid in Frage kommen. Die Taupunktdetektion beruht auf der Tatsache, dass sich die Gesamtimpedanz beim Erreichen der Taupunkttemperatur verändert, die dadurch verursacht wird, dass sich auf der Sensorfläche Kondensationströpfchen zu bilden beginnen. Auf der Sensorfläche bildet sich somit eine separate Kondensationströpfchenschicht aus, wobei sich auf der Sensorfläche weiterhin die mit einer Isolierschicht überzogenen Interdigitalelektroden befinden.
Für die Funktionalität der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen ist es also erforderlich, dass die Sensoranordnungen mehrere Schichten inklusive einer Kondensationskeimschicht aufweisen. Zur wirksamen Signaländerung des Sensors wird prinzipiell eine hydrophile Oberfläche verwendet.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Löschung, Vorteile
Ausgehend von der Würdigung des aufgezeigten Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass von einer separaten Kondensationskeimschicht abgesehen werden kann und die Widerstandsschicht zugleich die Wirkung einer Kondensationskeimschicht entfaltet.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung und ein Verfahren mit den in Anspruch 1 bzw. 12 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltung und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Widerstandsschicht, die durch einen Strukturierungsprozess zu zwei interdigital ineinander greifenden Elektroden geformt wird, bildet bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung auch die sensitive Schicht.
Der Kerngedanke der Erfindung ist es jedoch, dass die Strukturierung der Interdigitalelektroden gleichzeitig mit der Formierung einer feuchtesensitiven hydrophilen Oberfläche derselben durch einen gebündelten Laserstrahl erfolgt.
Durch die Wahl entsprechender Laserbearbeitungsparameter ist eine bis in das Trägermaterial hineinreichende Wirkung der Laserstrahlung wirksam. Das dabei verdampfte Widerstands- und Trägermaterial schlägt sich auf den Interdigitalelektroden nieder und wirkt an der Oberfläche als Kondensationskeimschicht, ohne dass sich eine geschlossene Schicht gänzlich ausbildet. Die lokale Verdampfung des Widerstands- und Trägermaterials führt bei Umgebungsatmosphäre zu einer Oxidation des sich als Keime auf der Oberfläche der Interdigitalelektroden und in den Zwischenräumen niederschlagenden Materials. Hierdurch wird in besonders einfacher und einzigartiger Weise eine Hydrophilisierung der Oberfläche erzeugt, wobei die Oberfläche die Wirkung einer Kondensationskeimschicht entfaltet. Aufwendige Fertigungsanlagen vergleichbar den Vakuumanlagen bei der Laserablation sind daher nicht notwendig. In einem folgenden Sinterprozess wird diese mit Keimen versehene Oberfläche mechanisch stabilisiert.
Die kombinierte Sensor- und Elektrodenschicht liegt als korrosionsstabile Schicht vor, die keine weitere Schutzschicht und Kondensationskeimschicht benötigt. Da zudem auf der Sensorschicht im Vergleich zu bekannten Sensoren keine Abdeckschicht aufgebracht ist, misst die erfindungsgemäße Sensoranordnung sehr schnell. Typische Detektionszeiten für eine Betauung liegen unter 500 ms. Zudem ergibt sich durch die vereinfachte Anordnung eine gegenüber dem Stand der Technik signifikant erhöhte Sensitivität der relativen Feuchte im Wertbereich oberhalb von 90 % und insbesondere 95 %.
Im Vergleich zum dargestellten Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Sensoranordnung also einen erheblich vereinfachten und damit kostengünstigen Aufbau auf, der die Vorteile einer separaten Bekei- mungsschicht enthält und damit insbesondere einen hohen Signalhub in kurzen Detektionszeiten ermöglicht.
Die feuchtesensitiven hydrophilen Oberflächen führen aufgrund einer Dampfdruckerniedrigung zu einer Taupunkttemperaturerhöhung an der Oberfläche. Daher kommt es eher zu einer Betauung, als es das Umgebungsklima (Taupunkttemperatur und relative Feuchtigkeit) bedingt. Als Messeffekt der Sensoranordnung wird die Adsorption von Wassermolekülen an der Oberfläche des Sensors genutzt.
Hierbei wirkt sich zum einen eine Kapazitätsänderung der Elektrodenstruktur durch die Änderung der Dielektrizität aus und zum Anderen eine Widerstandsänderung durch eine in Folge lonenleitung sowie durch eine in Folge des Grothusmechanismus bedingte Änderung der Leitfähigkeit des absorbierten Wassers.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors sieht eine zu strukturierende Widerstandsschicht auf einem Trägermaterial vor. Als Widerstandsschicht können vorteilhafter Weise Metalloxidschichten verwendet werden, vorzugsweise solche aus Rutheniumoxiden, Ruthenaten oder Iridiumoxiden.
Als Trägermaterialien können typische dem Fachmann bekannte Materialien, wie beispielsweise Leiterplattenmaterialien, Keramiken, Gläser oder Polymere in Form von Platten oder Folien verwendet werden.
Vorzugsweise sind an dem Trägermaterial zwei Kontaktelektroden angebracht, die mit den Interdigitalelektroden in Verbindung stehen.
Die Kontaktelektroden bestehen vorzugsweise aus einer metallischen Schicht und einer weiteren lötfähigen, bondfähigen oder mit Leitkleber kontaktierbaren Schicht.
Die Erfindung ermöglicht zudem eine deutlich kostengünstigere Herstellung eines Betauungssensors in SMD-Technik. Im Rahmen dieser Technik
werden oberflächenmontierbare Bauelemente (z. B. Widerstände oder Kondensatoren) mittels lötfähiger oder klebbarer Anschlussflächen direkt auf eine Leiterplatte aufgebracht. Als Trägermaterial bietet sich dabei ein Standard-Keramiksubstrat an. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung eignet sich für die automatisierte SMD-Bestückung von Leiterplatten.
Bei der Entfernung dieser Schutzschicht ergibt sich simultan eine vorteilhafte Ablösung des lockeren, nicht haftenden Materials auf der Sensoroberfläche, so dass die verbleibende mit Laserverfahren erzeugte keimbildende Schicht eine besondere mechanische Langzeitstabilität aufweist.
Zudem sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung mit einem Trägermaterial, welches vorzugsweise aus einer Aluminiumoxidkeramik gebildet wird, vor, bei dem mit der Erzeugung von In- terdigitalelektroden gleichzeitig die Formierung einer feuchtesensitiven hydrophilen Oberfläche auf den Interdigitalelektroden und den Vertiefungen einhergeht, wobei Kondensationskeime auf die Interdigitalelektroden und Vertiefungen aufgebracht werden.
Das Verfahren besteht dabei aus folgenden Verfahrensschritten:
a) Aufbringen von Kontaktelektroden auf das Trägermaterial, b) Aufbringen einer Widerstandsschicht auf das Trägermaterial, c) Erzeugung von Interdigitalelektroden aus der Widerstandsschicht durch Aufheizen, Schmelzen und Verdampfen von Teilen des Trägermaterials und der Widerstandsschicht mittels Laserstrahlung, d) Kondensation von Teilen des verdampften Trägermaterials und Teilen der verdampften Widerstandsschicht auf den Interdigitalelektroden und in den Vertiefungen, die sich zwischen den Interdigitalelektroden befinden.
e) mechanische Stabilisierung der Kondensationskeime auf den Inter- digitalelektroden und/oder in den Vertiefungen durch Aufsintern.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Interdigital- elektroden wie beschrieben aus einer Metalloxidschicht gebildet werden. Hierbei ist es sinnvoll, dass die Laserstrahlung eine Wellenlänge von 248 nm bis 1200 nm aufweist.
Diese nicht gänzlich geschlossene Kondensationskeimschicht wird in einem Sinterprozess mechanisch stabilisiert. Die Sinterparameter sind dabei so gewählt, dass bevorzugt Kondensationsteilchen einer bestimmten Korngröße miteinander versintern. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind nicht versinterte Kondensationskeime entfernt.
Zudem sieht das Verfahren bei Ausführung in SMD-Technik einen Auftrag eines Schutzlackes und Aufbringen der lötbaren, beispielsweise mittels galvanischer Abscheidung, oder klebbarer Endelektroden vor, sowie abschließend eine Ablösung des Schutzlacks und gleichzeitige Entfernung der nicht aufgesinterten Kondensationskeime erfolgt.
Damit hierbei die kammartige sensitive Struktur, die sich in den Interdigi- talelektroden und in den durch die Laserstrahlung erzeugten Vertiefungen in der Widerstandsschicht bzw. in dem Trägermaterial manifestiert, nicht ebenfalls überzogen wird, ist diese vor der Fertigung der Endelektroden durch geeignete Schutzschichten abzudecken, welche im Anschluss des Prozesses wieder zu entfernen sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen in schematischen Darstellungen:
Fig. 1 Eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung gemäß der Erfindung, wobei mittels eines Laserstrahls Interdigitalelektroden auf einer Widerstandsschicht erzeugt werden;
Fig. 2 Einen Querschnitt der Sensoranordnung aus Fig. 1.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, die mit dem Bezugzeichen 100 versehen ist.
Die Sensoranordnung 100 weist ein Trägermaterial 10 auf. Bei dem Trägermaterial 10 kann es sich um ein Aluminiumoxidsubstrat handeln. Zudem sind auf dem Trägermaterial 10 Kontaktelektroden 11 ,12 aufgebracht. Wie die Figur 1 weiter zu erkennen gibt, ist auf dem Trägermaterial 10 darüber hinaus eine Widerstandsschicht 13 angeordnet, bei der es sich vorzugsweise um eine Metalloxidschicht handelt. Sowohl die Kontaktelektroden 11 ,12 als auch die Metalloxidschicht können durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht und nachfolgend bei geeigneten Temperaturen eingebrannt werden.
Die Sensoranordnung 100 weist die Interdigitalelektroden 14 auf, die in der Metalloxidschicht mittels Laserstrahlung 17 erzeugt werden. Die Widerstandsschicht 13, die durch diesen Strukturerzeugungsprozess zu den Interdigitalelektroden geformt wird, ist eine sensitive Schicht, die im Rahmen der Erfindung durch Einbringung von den Kondensationskeimen 19
eine feuchtesensitive hydrophile Oberfläche wird. Die Interdigitalelektro- den 14 sind in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform jedoch nicht vollständig dargestellt. Die Interdigitalelektroden 14 haben prinzipiell die Form von ineinander gesteckten Kämmen, wobei die parallel verlaufenen Zähne 15 der Interdigitalelektroden 14 dabei von furchenartigen Vertiefungen 16 voneinander getrennt sind, die durch einen gebündelten Laserstrahl 17 erzeugt sind. Die Interdigitalelektroden 14 stehen mit den Kontaktelektroden 11 ,12 in Verbindung, um eine Spannung anlegen zu können. Die furchenartigen Vertiefungen 16 ragen durch die Widerstandsschicht 13 bis in das Trägermaterial 10 hinein. Die Interdigitalelektroden 14 und Vertiefungen 16 weisen eine feuchtesensitive hydrophile Oberfläche 18 auf, die aufgesinterte Kondensationskeime 19 enthält. Die lokale Verdampfung von Material der Widerstandsschicht 13 und des Trägermaterials 10 durch den Laserstrahl 17 führt bei Umgebungsatmosphäre zu einer Oxidation des sich als Kondensationskeime 19 auf den Interdigitalelektroden 14 niederschlagenden Materials. Hierdurch wird in besonders einfacher und einzigartiger Weise eine Hydrophilisierung der Oberfläche der Interdigitalelektroden 14 erzeugt. Die Kondensationskeime 19 werden mittels Laserstrahlung 17, die das Aufheizen, Schmelzen und Verdampfen von Teilen der Widerstandsschicht 13 und des Trägermaterials 10 bewirkt, zur Oberfläche der Interdigitalelektroden 14 befördert. Dieser Vorgang ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet. Wie der Figur 1 auch zu entnehmen ist, nimmt die Dichte der Kondensationskeime 19 auf der Oberfläche der Interdigitalelektroden 14 in Richtung der Vertiefungen 16 zu.
Der Prozess einer Formierung einer feuchtesensitiven hydrophilen Oberfläche mit aufgebrachten bzw. eingebrachten Kondensationskeimen 19 wird noch einmal anhand der Figur 2 erläutert. Auch in der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform dient als Trägermaterial 10 ein Aluminiumoxidsubstrat, auf welches auch hier beispielsweise durch Siebdruckverfah-
ren Kontaktelektroden 11 ,12 und als Widerstandsschicht 13 eine Metalloxidschicht aufgebracht und nachfolgend bei geeigneten Temperaturen eingebrannt werden. Die Interdigitalelektroden 14 werden durch den gebündelten Laserstrahl 17, vorzugsweise bei einer Wellenlänge von ca. 532 nm oder im Bereich um 1064 nm in der Widerstandsschicht 13 erzeugt. Der Laserstrahl 17 erzeugt die Vertiefung 16, die durch die Widerstandschicht 13 bis in das Trägermaterial 10 hineinragt. Die bis in das Trägermaterial 10 hineinreichende Wirkung der Laserstrahlung 17 bewirkt ein Aufheizen, Schmelzen und Verdampfen sowohl von Teilen der Widerstandsschicht 13 als auch von Teilen des Trägermaterials 10. Dies hat wiederum zur Folge, dass sich innerhalb der Vertiefung 16 eine Reaktionszone 21 in Gestalt einer Schmelzzone herausbildet. Der so erzeugte Materialdampf 22 entweicht aus der Vertiefung 16 und schlägt sich auf den Interdigitalelektroden 14 und den Vertiefungen 16 in Form von Kondensationskeimen 19 nieder, so dass die Oberfläche der Interdigitalelektroden 14 in Gestalt einer feuchtesensitiven hydrophilen Oberfläche vorliegt, die als Kondensationskeimschicht wirkt, ohne jedoch als eine separate Schicht ausgebildet zu sein. In einem darauf folgenden Sinterprozess werden die Kondensationskeime 19 stabilisiert, indem die Kondensationskeime 19 auf der Oberfläche der Interdigitalelektroden und der Zwischenräume aufgesintert werden. Auf der Sensoranordnung 100 hat sich somit eine feuchtesensitive hydrophile Oberfläche 18 ausgebildet, die die Funktion einer mechanisch-stabilisierten Kondensationskeimschicht aufweist. Die Sinterparameter sind dabei so gewählt, dass bevorzugt Kondensationskeime 19 zu einer bestimmten Korngröße miteinander versintern. Die restlichen nicht versinterten Kondensationskeime werden mit einer Galvanikschutzschicht nach einer Galvanisierung entfernt.
Bezugszeichenliste:
100 Sensoranordnung
10 Trägermaterial
11 Kontaktelektroden
12 Kontaktelektroden
13 Widerstandsschicht
14 Interdigitalelektroden
15 Zähne
16 Vertiefungen
17 Laserstrahl
18 feuchtesensitive hydrophile Oberfläche / Kon densationskeimschicht
19 Kondensationskeime
20 Vorgang
21 Reaktionszone
22 Materialdampf